单相多铁磁电耦合材料具有非易失和电写磁读等优势，有望实现低能耗、高速以及多态存储器件，打破冯诺依曼瓶颈。然而目前的单相多铁材料种类稀少，且磁电耦合系数低，而复合多铁材料的工艺复杂，其中磁性材料具有杂散场和大矫顽场，均无法实现存储器应用。因此开发具有高磁电耦合系数的新单相多铁材料至关重要。近日，邢献然团队首次实现缺阴离子层状钙钛矿（Pb2+δFe2O5）外延薄膜生长，并通过调控额外原子层实现了室温多铁性以及高磁电耦合系数。这不仅丰富了多铁材料的种类，而且这种调控方式普遍适用于层状钙钛矿材料。相关工作发表在期刊 J. Am. Chem. Soc. 上。

图 1 原文和摘要

作者团队采用脉冲激光沉积首次制备出了Pb2+δFe2O5外延薄膜，并发现Pb2+0.48Fe2O5(P1.24FO)薄膜在室温具有较大的铁电极化(2 μC/cm2)和磁矩(25 emu/cc)。结合压电力显微镜(PFM)和磁力显微镜(MFM)证明了P1.24FO薄膜具有室温磁电耦合行为以及大的磁电耦合系数(5.19×105 mV·cm-1·Oe-1)，该磁电耦合系数与复合材料处于同一水平。基于扫描透射显微镜(STEM)以及电子能量损失谱（EELS），观察到Pb元素的过量导致混合层从无序分布转变成Pb/Fe离子的有序分布以及Pb/Fe比例随厚度增加而提高的现象。系统实验证明Pb/Fe有序分布提高了钙钛矿层轴比和铁电分量，从而实现比块体Pb2Fe2O5更大的铁电性。同步辐射X射线吸收谱(XAS)和X射线光电子能谱(XPS)证明，Pb元素的过量降低了FeO6八面体的分裂能，并提高氧空位浓度，从而增强了宏观磁性。通过比较不同Pb/Fe比例薄膜的多铁性和磁电耦合性能，发现Pb/Fe比例越大，铁电性越强，磁性越弱，但磁电耦合越强。通过第一性原理计算，进一步验证了Pb/Fe有序分布在增强铁电性具有重要作用。

图2 P1.24FO薄膜的室温多铁性以及磁电耦合表征

综上，该研究采用非化学计量比实现了P1.24FO薄膜中混合层的阳离子有序分布，获得了室温铁电性，磁性和巨大磁电耦合系数，为缺阴离子层状钙钛矿材料的进一步探索提供了研究基础。该方法同样适用于其他层状钙钛矿材料，为实现室温多铁和高磁电耦合提供了新的思路。

图3 P1.24FO薄膜中混合层的阳离子有序分布

该成果以"Colossal Room-Temperature Magnetoelectric Coupling in Anion-Deficient Layered Perovskite Films with Ordered Cation Distribution"为题，近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。论文第一作者为北京科技大学固体化学研究所博士生王洪伟，共一作者为物理所李翔飞博士，通讯作者为固体化学研究所邢献然教授，苗君教授以及物理所禹日成研究员。该工作得到国家自然科学基金的资助。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c01840